EP1892820A1 - Verfahren zur Ermittlung des Risikos für einen störungsfreien Betrieb eines Frequenzumrichters - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ermittlung einer Kennziffer für die Qualität eines einen Frequenzumrichter (2) speisenden Netzes (18). Erfindungsgemäß werden während des Betriebes dieses Frequenzumrichters (2) eine Zwischenkreisspannung (U ZK ) fortlaufend gemessen und ein netzseitiger Zwischenkreisstrom (i ZKnetz ) fortlaufend ermittelt, werden diese Messgrößen jeweils nicht linear gewichtet und werden anschließend integriert und werden die aufbereiteten Messgrößen zu einer Kennzahl (K netz ) aufaddiert, die in eine Kennziffer umgerechnet wird. Somit ist ein Frequenzumrichter (2) in der Lage, ohne großen Aufwand die Gefahr von Gerätestörungen oder -ausfällen infolge von Netzstörungen zu erkennen noch bevor es zu Betriebsunterbrechungen kommt.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ermittlung einer Kennziffer für die Qualität eines einen Frequenzumrichter speisenden Netzes.
• Bei Frequenzumrichtern, insbesondere bei solchen, bei denen Diodengleichrichter zur Speisung eines Gleichspannungs-Zwichenkreises eingesetzt werden, können Fehler im speisenden Netz zu Störabschaltungen und sogar zur Zerstörung des Frequenzumrichters führen.
• Beispielsweise verursachen Spannungseinbrüche im speisenden Netz des Frequenzumrichters Drehmomenteinbrüche an vom Frequenzumrichter gespeisten Motor. Kehrt die Netzspannung anschließend mit großer Steilheit wieder, kann es zu Überspannungen im Gleichspannungs-Zwischenkreis des Frequenzumrichters oder zu motorseitigen Überströmen kommen. Die Gleichrichterdioden des netzseitigen Stromrichters des Frequenzumrichters werden durch ein schnelles Wiederaufladen des Zwischenkreiskondensators des Frequenzumrichters stark belastet. Treten Spannungseinbrüche mit anschließender Spannungswiederkehr mit großer Steilheit mehrfach hintereinander auf, so werden die Gleichrichterdioden infolge überhöhter Temperatur zerstört, womit der Frequenzumrichter ausfällt. Sehr hohe Netzspannungen können zu Überspannungsabschaltung oder zur Zerstörung des Frequenzumrichters führen.
• Bisher schaltet ein an einem speisenden Netz angeschlossener Frequenzumrichter ab, wenn ein zulässiger oberer bzw. unterer Grenzwert für die Zwischenkreisspannung des Frequenzumrichters über- bzw. unterschritten wird oder der Motorstrom zu groß wird. Bei manchen im Handel erhältlichen Frequenzumrichtern wird zusätzlich der Ausfall einer Netzphase des speisenden Netzes erkannt und als Abschaltkriterium herangezogen.
• Da es für die Störmeldungen "Überspannung" und "Überstrom" viele Ursachen geben kann und der Fehler in aller Regel nicht unmittelbar reproduzierbar ist, wird die Netzspannung des speisenden Netzes als Auslöser für eine Abschaltung des Frequenzumrichters nur schwer erkannt. Wenn ein Frequenzumrichter mehrfach mit einer Störmeldung "Überspannung" bzw. "Überstrom" ausgefallen ist, für die es keine applikations- oder gerätespezifische Erklärung gibt, wird vom Service-Ingenieur die Netzspannung des speisenden Netzes mittels eines Schreibers, insbesondere eines Langzeitschreibers, aufgezeichnet und anschließend ausgewertet.
• Da ein nicht stabiles Netz immer ein Risiko für den sicheren Betrieb eines Frequenzumrichters und damit für eine Anlage darstellt, wäre es für einen Betreiber einer Anlage mit frequenzumrichtergespeisten Motoren sehr hilfreich, wenn jeder Frequenzumrichter die Qualität seines speisenden Netzes feststellen und bei Erreichen eines Gefährdungspotentials eine entsprechende Meldung abgeben könnte. Dadurch könnten unter Umständen kostenintensive Betriebsunterbrechungen verhindert werden.
• Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem eine Kennziffer für die Qualität eines einen Frequenzumrichter speisenden Netzes ermittelt werden kann.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
• Erfindungsgemäß werden die fortlaufend gemessene Zwischenkreisspannung und der fortlaufend ermittelte netzseitige Zwischenkreisstrom, der in Abhängigkeit der Zwischenkreisspannung, eines motorseitigen Zwischenkreisstromes und einer Zwischenkreiskapazität berechnet wird, jeweils nicht linear gewichtet und integriert. Diese aufbereiteten Messgrößen werden zu einer Kennzahl aufaddiert, die in eine Kennziffer umgerechnet wird. Diese Kennziffer gibt das Risiko für einen störungsbehafteten Betrieb eines Frequenzumrichters an einen speisenden Netzes an.
• Eine Netzunterspannung wird anhand der gemessenen Zwischenkreisspannung erkannt, eine Netzüberspannung anhand der gemessenen Zwischenkreisspannung und einem positiven netzseitigen Zwischenkreisstrom. Zur Identifizierung eines Netzüberstromes dient der netzseitige Zwischenkreisstrom.
• Vorteilhafterweise kann auch eine Warnmeldung generiert werden, so bald die ermittelte Kennziffer einen vorbestimmten Wert unterschreitet.
• Mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Gefahr von Gerätestörungen oder -ausfällen infolge von Netzstörungen erkannt, noch bevor es zu einer Betriebsunterbrechung kommt. Dadurch wird die Anzahl der Ausfälle eines an einem Netz angeschlossenen Frequenzumrichters mit den damit verbundenen Nachteilen wie Kosten und Imageverlust reduziert. Störungen aufgrund von Netzfehlern werden somit schneller gefunden. Mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren ist ein Frequenzumrichter in der Lage, das Risiko für den gestörten Betrieb des Antriebs (Frequenzumrichter mit angeschlossenen Motor) ständig während des laufenden Betriebes zu ermitteln und gegebenenfalls anzuzeigen.
• Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der das erfindungsgemäße Verfahren schematisch veranschaulicht ist.

FIG 1

zeigt einen Frequenzumrichter mit Diodeneinspeisung an einem speisenden Netz, die

FIG 2

veranschaulicht eine analoge Verarbeitungseinrichtung mehrerer Messgrößen zu einer Kennzahl, wobei in der

FIG 3

in einem Diagramm eine nichtlineare Gewichtungsfunktion dargestellt ist, in der

FIG 4

ist ein Frequenzumrichter mit einem Activ-Front-End dargestellt, wobei die

FIG 5

einen Frequenzumrichter mit einem mit Netzfrequenz getakteten netzseitigen rückspeisefähigen Stromrichter zeigt, und in der

FIG 6

ist ein Matrixumrichter dargestellt.

• Die FIG 1 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Frequenzumrichters 2, der als netzseitigen Stromrichter einen Diodengleichrichter 4 und als lastseitigen Stromrichter einen selbstgeführten Pulsstromrichter 6 aufweist. Beide Stromrichter sind gleichspannungsseitig mittels eines Gleichspannungs-Zwischenkreises elektrisch miteinander verknüpft. Dieser Gleichspannungs-Zwischenkreis weist einen Zwischenkreiskondensator C_ZK auf, an dem eine Zwischenkreisspannung U_ZK abfällt. An den Phasen-Ausgängen 8, 10 und 12 des selbstgeführten Pulsstromrichters 6 ist ein Motor 14 angeschlossen. Motor 14 und Frequenzumrichter 2 bilden einen sogenannten Antrieb. Eingangsseitig weist dieser Frequenzumrichter 2 eine Netzkommutierungsdrossel 16, die für jede Netzphase eine Induktivität L beinhaltet, auf. Mittels dieser Netzkommutierungsdrossel 16 ist dieser Frequenzumrichter 2 an ein speisendes Netz 18 angeschlossen.
• Der Diodengleichrichter 4 generiert aus den anstehenden Phasenspannungen u_Rnetz, u_Snetz, und u_Tnetz des speisenden Netzes 18 eine gleichgerichtete Spannung, die Zwischenkreisspannung U_ZK, die mittels des Zwischenkreiskondensators C_ZK gepuffert wird. Außerdem liefert dieser Diodengleichrichter 4 einen Zwischenkreisstrom i_zknetz, der sich aus den Phasenströmen i_R, i_S und i_T des speisenden Netzes 18 zusammensetzt. Dieser netzseitige Zwischenkreisstrom i_zKnetz teilt sich in einen Ladestrom i_CZK des Zwischenkreiskondensators C_ZK und einen lastseitigen Zwischenkreisstromes i_ZKmotor auf. Aus Übersichtlichkeitsgründen sind von den Phasenspannungen u_Rnetz, u_Snetz und u_Tnetz und den Phasenströmen i_R, i_s und i_T nur die der Phase R dargestellt.
• Da der Wert der Zwischenkreisspannung U_zK direkt von der Amplitude der Netzspannung abhängig ist, macht sich ein Spannungseinbruch direkt in der Zwischenkreisspannung U_ZK bemerkbar. Unterschreitet die Amplitude der Zwischenkreisspannung U_ZK einen unteren vorbestimmten Wert, so schaltet der Frequenzumrichter 2 ab. Steigt nach einem Spannungseinbruch die Netzspannung wieder auf ihren ursprünglichen Wert, so fließt ein erhöhter netzseitiger Zwischenkreisstrom i_ZKnetz. Je steiler der Spannungsanstieg ist, um so höher ist der netzseitige Zwischenkreisstrom i_ZKnetz. D.h., die Qualität des speisenden Netzes 18 bestimmt somit das Risiko für einen störungsfreien Betrieb des Frequenzumrichters 2. Je mehr Spannungseinbrüche und Netzüberströme auftreten, um so niedriger ist die Qualität des speisenden Netzes 18. Je niedriger die Qualität des speisenden Netzes 18 des Frequenzumrichters 2 ist, um so höher ist das Risiko für einen störungsfreien Betrieb des Frequenzumrichters 2. Somit hat die Qualität eines Netzes 18 einen wesentlichen Einfluss auf den störungsfreien Betrieb eines Frequenzumrichters 2 und damit eines Antriebs.
• Für Regelungs- und Schutzzwecke werden die Zwischenkreisspannung U_ZK und die Motorströme i₁, i₂ und i₃ gemessen. Ohne weitere Messgrößen gelangt man mit Hilfe von Gleichungen zum motorseitigen und netzseitigen Zwischenkreisstrom i_ZKmotor und i_ZKnetz. Mit Hilfe dieser gemessenen Motorströme i₁, i₂ und i₃ und den Ausgangsspannungen des selbstgeführten Pulsstromrichters 6 wird die Motorleistung gemäß folgender Gleichung: $${\mathrm{P}}_{\mathrm{motor}}\mathrm{=}{\mathrm{u}}_{\mathrm{1}}\mathrm{\cdot }{\mathrm{i}}_{\mathrm{1}}\mathrm{+}{\mathrm{u}}_{\mathrm{2}}\mathrm{\cdot }{\mathrm{i}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}{\mathrm{u}}_{\mathrm{3}}\mathrm{\cdot }{\mathrm{i}}_{\mathrm{3}}$$

  

  
  berechnet. Diese Ausgangsspannung u₁, u₂ und u₃ des Frequenzumrichters 2 brauchen nicht gemessen zu werden, da die Regeleinrichtung des Frequenzumrichters 2 die Sollwerte dieser Ausgangsspannungen liefert. In Abhängigkeit dieser berechneten Motorleistung P_motor und der gemessenen Zwischenkreisspannung U_ZK gelangt man mittels folgender Gleichung: $${\mathrm{i}}_{\mathrm{ZKmotor}}\mathrm{=}{\mathrm{P}}_{\mathrm{motor}}\mathrm{/}{\mathrm{U}}_{\mathrm{ZK}}$$

  

  
  zum Wert des motorseitigen Zwischenkreisstromes i_zKmotor. Der netzseitige Zwischenkreisstrom i_zKnetz ergibt sich aus der Knotenregel zu: $${\mathrm{i}}_{\mathrm{ZKnetz}}\mathrm{=}{\mathrm{i}}_{\mathrm{CZK}}\mathrm{+}{\mathrm{i}}_{\mathrm{zkmotor}}$$

  

  
  wobei der Ladestrom i_czK gemäß folgender Gleichung: $${\mathrm{i}}_{\mathrm{CZK}}\mathrm{=}{\mathrm{C}}_{\mathrm{zk}}\mathrm{\cdot }{\mathrm{dU}}_{\mathrm{ZK}}/\mathrm{dt}$$

  

  
  berechnet wird. Somit erhält man aus vorhandenen Messgrößen mit einigen einfachen Rechenoperationen zwei Messgrößen, die hinsichtlich Netzstörungen des speisenden Netzes 18 ausgewertet werden können. Die vorhandenen Messgrößen U_ZK und i₁, i₂ und i₃ und u₁, u₂ und u₃ stehen zu jeden Abtastschritt während des gesamten Betriebes zur Verfügung.
• In der FIG 2 ist eine analoge Verarbeitungseinrichtung 20 mehrerer Messgrößen zu einer Kennzahl K_netz schematisch dargestellt. Diese Verarbeitungseinrichtung 20 weist pro Messgröße einen Kanal, bestehend aus einem Funktionsglied 22, einem einen Integrator enthaltenden Speicherglied 24 und einer Gewichtungseinrichtung 26, auf. Ausgangsseitig sind diese Verarbeitungskanäle mit wenigstens einem Addierer 28 miteinander verknüpft. Am Ausgang dieses Addierers 28 steht die Kennzahl K_netz an. Am Eingang eines jeden Verarbeitungskanals steht eine Messgröße X_j, X_j+1 an. Im Funktionsglied 22 ist eine Funktion F(X) für eine nichtlineare Gewichtung einer Messgröße X_j, X_j+1 hinterlegt. Eine derartige Funktion F(X) ist beispielsweise in dem Diagramm der FIG 3 näher veranschaulicht. Ausgangsseitig ist das Funktionsglied 22 mit einem Eingang des nachgeschalteten einen Integrator enthaltenden Speichergliedes 24 verknüpft, dessen Ausgang mit der Gewichtungseinrichtung 26 verknüpft ist.
• Je kleiner diese Kennzahl K_netz ist, umso höher ist die Qualität des speisenden Netzes 18. Diese Kennzahl K_netz kann in eine Kennziffer umgerechnet werden, die die Qualität des speisenden Netzes 18 wiedergibt. Beispielsweise kann der Kehrwert der Kennzahl K_netz gebildet werden, oder diese Kennzahl K_netz von einer Konstanten abgezogen werden. In beiden Fällen ist die Kennziffer für eine hohe Qualität hoch und für eine geringe Qualität niedrig. Mit Verringerung der Kennziffer ausgehend vom Maximum steigt das Risiko für einen störungsbehafteten Betrieb des Frequenzumrichters 2.
• In Abhängigkeit der ermittelten Kennzahl K_netz bzw. der umgerechneten Kennziffer kann bei Überschreiten bzw. Unterschreiten einer vorbestimmten Kennzahl K_netz bzw. Kennziffer eine Warnung ausgegeben werden.
• Dieses erfindungsgemäße Verfahren lässt sich auch auf andere Umrichtertopologien übertragen.
• Die FIG 4 zeigt einen Frequenzumrichter mit einem Activ-Front-End (AFE). Dieses AFE ist ein selbstgeführter Pulsstromrichter. Somit weist ein derartiger Frequenzumrichter netz- und lastseitig jeweils einen selbstgeführten Pulsstromrichter auf. Beim AFE ist die Qualität der Netzspannung nicht von so entscheidender Bedeutung, da die Zwischenkreisspannung U_ZK so hoch ist, dass der netzseitige Pulsstromrichter in der Funktion Gleichrichter steuerbar bleibt und Netzfehler in der Regel beherrscht werden können. Netzfehler, beispielsweise Unterspannungen bis zu sehr tiefen Werten und sehr steile Netzspannungsänderungen, beeinträchtigen jedoch auch beim AFE den sicheren Betrieb. Für die Regelung des AFE wird der Netzstrom gemessen. Für die Analyse des speisenden Netzes kann der Betrag des gebildeten Netzstromzeigers dienen. Häufig wird sogar für die Regelung des AFE die Netzspannung direkt gemessen. Ist dies nicht der Fall, kann diese mittels folgender Gleichung: $${\mathrm{u}}_{\mathrm{Rnetz}}\mathrm{=}{\mathrm{u}}_{\mathrm{Rumr}}\mathrm{-}\mathrm{L}\mathrm{\cdot }{\mathrm{di}}_{\mathrm{R}}\mathrm{/}\mathrm{dt}$$

  

  
  berechnet werden. Dabei sind u_Rnetz die Netzspannung der Phase R, u_Rumr die aus der Zwischenkreisspannung U_ZK und einem Pulsmuster bestimmte Umrichter-Eingangsspannung der Phase R, L die Induktivität der AFE-Drossel und i_R der gemessene Ausgangsstrom des AFE. Für die anderen Phasen S und T wird entsprechend verfahren. Aus diesen berechneten Netzspannungen U_Rnetz, U_Snetz und U_Tnetz wird in bekannter Weise der Netzspannungszeiger berechnet. Diese Netzgrößen werden dann erfindungsgemäß ausgewertet.
• Die FIG 5 zeigt eine weitere Umrichtertopologie. Bei dieser Umrichtertopologie ist als netzseitiger Stromrichter ein mit Netzfrequenz getakteter steuerbarer Stromrichter vorgesehen. Ein derartiger netzseitiger Stromrichter wird als Fundamental Frequency Front End (F3E) bezeichnet. Außerdem weist dieser Frequenzumrichter keinen Zwischenkreiskondensator C_ZK mehr auf. Dafür weist dieser Frequenzumrichter eingangsseitig ein Netzfilter auf. Da Kondensatoren nur auf der Netzseite liegen, d.h., dem Frequenzumrichter vorgeschaltet sind, wird der Netzstrom als Messgröße nicht benötigt, da der durch schnelle Netzspannungswiederkehr hervorgerufene Ladestrom den Frequenzumrichter nicht belastet. Zur Steuerung des F3E wird die Zwischenkreisspannung U_ZK direkt gemessen, die direkt zur Bearbeitung der für den Betrieb maßgeblichen Netzspannungsqualität benutzt wird.
• Eine weitere Umrichtertopologie ist in der FIG 6 näher dargestellt. Bei dieser Umrichtertopologie handelt es sich um einen Matrixumrichter. Beim Matrixumrichter wird die Spannung der netzseitigen Kondensatoren gemessen. Die Netzfilterdrosseln sind jeweils so klein, dass eine an ihnen abfallende Spannung vernachlässigbar ist. Die Kondensatorspannung wird daher für die Ermittlung des Risikos für einen störungsfreien Betrieb durch Netzfehler analysiert. Der Netzstrom wird nicht benötigt, da der Umrichterstrom über den Motorstrom und ein Pulsmuster eingeprägt ist.
• Mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren ist ein an ein speisendes Netz angeschlossener Frequenzumrichter nun in der Lage, auch ohne großen Aufwand eine Kennziffer für die Qualität des speisenden Netzes zu ermitteln, wodurch dann das Risiko für einen störungsbehafteten Betrieb angegeben werden kann. Dadurch wird die Gefahr von Gerätestörungen oder Ausfällen infolge von Netzstörungen erkannt, noch bevor es zu Betriebsunterbrechung kommt. Die Anzahl der Ausfälle mit den damit verbundenen Nachteilen wie Kosten und Imageverlust wird dadurch reduziert.

Claims (6)

1. Verfahren zur Ermittlung einer Kennziffer für die Qualität eines einen Frequenzumrichter (2) speisenden Netzes (18), wobei während des Betriebes dieses Frequenzumrichters (2) eine Zwischenkreisspannung (U_ZK) fortlaufend gemessen und ein netzseitiger Zwischenkreisstrom (i_zunetz) fortlaufend ermittelt werden, wobei diese Messgrößen (U_ZK, i_ZKnetz) jeweils nicht linear gewichtet und anschließend integriert werden und wobei diese aufbereiteten Messgrößen zu einer Kennzahl (K_netz)aufaddiert werden, die in eine Kennziffer umgerechnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet, dass bei Unterschreitung einer vorbestimmten Kennziffer eine entsprechende Meldung generiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet, dass der netzseitige Zwischenkreisstrom (i_ZKnetz) in Abhängigkeit einer gemessenen Zwischenkreisspannung (U_ZK) und eines ermittelten motorseitigen Zwischenkreisstromes (i_ZKmotor) gemäß folgender Gleichung: $${\mathrm{i}}_{\mathrm{ZKnetz}}\mathrm{=}{\mathrm{C}}_{\mathrm{ZK}}\mathrm{\cdot }{\mathrm{dU}}_{\mathrm{ZK}}\mathrm{/}\mathrm{dt}\mathrm{+}{\mathrm{i}}_{\mathrm{ZKmotor}}$$

   

   
   berechnet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
   dadurch gekennzeichnet, dass der motorseitige Zwischenkreisstrom (i_ZKmotor) gemessen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3,
   dadurch gekennzeichnet, dass der motorseitige Zwischenkreisstrom (i_ZKmotor) in Abhängigkeit einer gemessenen Zwischenkreisspannung (U_ZK) und einer berechneten Motorleistung (Pmotor) gemäß folgender Gleichung: $${\mathrm{i}}_{\mathrm{ZKmotor}}\mathrm{=}{\mathrm{P}}_{\mathrm{motor}}\mathrm{/}{\mathrm{U}}_{\mathrm{ZK}}$$

   

   
   berechnet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
   dadurch gekennzeichnet, dass die Motorleistung (P_motor) in Abhängigkeit gemessener Motorströme (i₁,i₂,i₃) und vorbestimmter Motorspannungen (u₁,u₂,u₃) gemäß folgender Gleichung: $${\mathrm{P}}_{\mathrm{motor}}\mathrm{=}{\mathrm{u}}_{\mathrm{1}}\mathrm{\cdot }{\mathrm{i}}_{\mathrm{1}}\mathrm{+}{\mathrm{u}}_{\mathrm{2}}\mathrm{\cdot }{\mathrm{i}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}{\mathrm{u}}_{\mathrm{3}}\mathrm{\cdot }{\mathrm{i}}_{\mathrm{3}}$$

   

   
   berechnet wird.

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